Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии Форума будущих технологий. «Вычисления и связь. Квантовый мир» «Квантовое превосходство: в поисках практического применения»
Квантовый пузырь
Огромные перспективы квантовых технологий, и в том числе квантовых вычислений, были озвучены выдающимся физиком, лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом ещё в восьмидесятые годы прошлого века. Научные достижения на рубеже конца девяностых начала двухтысячных создали ощущения того, что «сказка может стать былью» и нарисовали весьма радужные перспективы для квантовых вычислений. Совпав по времени с благоприятной ситуацией на инвестиционном рынке и наличием относительно «легких» денег достижения квантовой физики, привлекли внимание людей из бизнеса, поднявших знамя квантовой революции, при этом часто очень поверхностно разбирающихся как квантовые системы работают. Сложившаяся ситуация в конечном итоге привела к раздутию «квантового пузыря». Следует отметить, что при всех многомиллионных вливаниях, большинство возникших на данном фоне квантовых стартапов имеют более чем скромные доходы, связанные в основном с консультированием по возможности применения квантовых вычислений, а не с прямым применением квантовых вычислений для решения реальных практических задач.
Как известно развитие любой технологии не является монотонным и в соответствии с циклом хайпа Гартнера развитие технологии имеет пик завышенных ожиданий, за которым следует «ущелье» разочарования. Важным с точки выживания технологии является то, чтобы после ущелья наступил, пусть и пологий, но монотонно идущий вверх склон просвещения, переходящий в плато продуктивности. Опасность раздутия пузыря связана с тем, что за безумно острым и высоким пиком завышенных ожиданий следует настолько глубокая пропасть разочарований, выбраться из которой не представляется возможным. Именно реальные практические применения являются той страхующей веревкой не позволяющей рухнуть в глубоко в пропасть и задают рост на склоне просвещения. Практические применения спасли ИТ и телекоммуникационные технологии в конце девяностых, хотя раздутый в то время пузырь был не меньше, а может быть и значительно больше нынешнего квантового пузыря, а последующий за ним кризис затронул десятки и сотни тысяч работающих в отрасли людей.
Поэтому затрагиваемый в сессии вопрос является очень важным, можно сказать краеугольным с точки зрения дальнейшего развития квантовых технологий в общем, и квантовых вычислений, в частности.
Квантовое превосходство и практические применения
Квантовое превосходство, или способность квантовых компьютеров решать задачи не посильные классическим компьютерам, было официально достигнуто в 2019 году, когда компания Google сообщила, что на массиве из 54 кубитов за 200 секунд были проведены вычисления, на которые классическому суперкомпьютеру потребовалось бы около 10 000 лет [1]. За этим последовали другие демонстрации, в частности китайский фотонный квантовый компьютер оказался быстрее более чем на полмиллиарда лет [2]. Однако нужно отметить, что квантовое превосходство демонстрировалось на специфических далеких от практических применений задачах, максимально упрощая, можно сказать, что квантовый компьютер обсчитывал поведение самого себя.
Нельзя сказать, что развитие квантовых вычислений абсолютно оторвано от практических задач. Круг наиболее перспективных применений для квантового компьютера очерчен — это задачи машинного обучения, оптимизации и моделирование физических и химических систем. Подведена теоретическая база и даже разработаны квантовые алгоритмы для гипотетического идеального квантового компьютера, как например нашумевший алгоритм факторизации или алгоритм Шора [3], дающий в руки обладателю квантового компьютера инструмент для взлома открытых криптографических RSA ключей. Именно алгоритм Шора долгое время использовался как один из ключевых аргументов при выбивании финансирования и продвижении квантовых вычислений.
Основной проблемой применения разработанных алгоритмов для решения практически значимых задач, как отметил участник секции руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, руководитель научной группы атомных и оптических квантовых вычислений Российского квантового центра Станислав Страупе, является неспособность на текущем технологическом уровне развития масштабировать квантовый компьютер до размеров, где квантовое превосходство над классическим компьютером будет очевидно. Работа алгоритма Шора была впервые продемонстрирована компанией IВМ в 2001 году, где с использованием 7 кубитов было проведено разложение числа 15 на множители 3 и 5. Однако, с данной задачей легко справляется и классический компьютер, а для взлома RSA кодов число кубитов должно составлять несколько тысяч. Проблема масштабирования связана не столько непосредственно с технологией изготовления нужного количества кубитов, а с проблемой шумов, приводящей к разрушению информации в процессе итеративных вычислений. Квантовый компьютер не первая технология аналоговых вычислений, столкнувшаяся с проблемой шумов. Около 50 лет назад, в шестидесятых — семидесятых годах прошлого века активно продвигалась идея оптического процессора и применения аналоговых оптических систем для решения ряда прикладных задач, таких как распознавание образов. Современное направление фотонных интегральных схем и фотонных квантовых компьютеров являются в некотором роде следующим витком развития данного направления. Аргументации при сопоставлении аналогового оптического компьютера с цифровым полупроводниковым компьютером использовалась схожая (о параллелизме и скорости вычислений) как и для квантового компьютера. Реализовать теоретически предсказанные преимущества аналогового оптического компьютера не удалось в полной мере в связи с недостаточным динамическим диапазоном, ограниченным снизу шумами, связанными с доступными источниками и приемниками излучения, а также рассеянием в оптических материалах. Сопоставляя системы квантовых вычислений с классическими компьютерами, использующими двоичный цифровой сигнал нужно помнить, что именно снижение требований к шумам при использовании двоичной кодировки является одной из составляющих успеха современных классических цифровых систем.
Понимание невозможности реализации квантового превосходства в реальных практических задачах заставило снизить современные ожидания от квантовых вычислений. Термин квантовое превосходство все чаще заменяется на квантовое преимущество, а экспоненциальный рост производительности на полиномиальный.
Другой важной проблемой, препятствующей реальному практическому использованию квантовых систем вычислений, является их недостаточная гибкость. Теоретически квантовая система должна решать любую задачу, которую решает классическая система, поскольку квантовая система является более общим случаем классической. Однако, в доступных на современном технологическом уровне квантовых системах вычислений, круг возможных для реализации алгоритмов настолько сильно привязан к физическим процессам, лежащим в основе данной конкретной реализации, что не может быть и речи о формулировке абстрактных задач, не учитывающих особенности той или иной технологической платформы. В отличие от программистов классических компьютеров, программисты квантовых систем вычислений должны четко представлять физические процессы, происходящие в системе. В настоящее время не может быть и речи о создании в ближайшем будущем универсального квантового компьютера, в лучшем случае можно рассматривать возможность создания отдельного вычислительного блока, по аналогии с видеокартой, управляемого классическим компьютеров. Сопряжение системы квантовых вычислений с классическим компьютером, методы обмена, ввода и вывода данных также сопровождается рядом проблем требующих значительных технологических продвижений для эффективного решения.
Что делать?
Попробую дать свой ответ на классический вопрос. Несмотря на высказанный скепсис мой прогноз относительно будущего квантовых вычислений весьма оптимистичный. Квантовый пузырь, скорее всего, лопнет, но квантовая зима не наступит. Как и апологеты квантовых систем вычислений, я прихожу к выводу, что появление практических квантовых систем неизбежно. Подгоняемые растущими требованиями и двигаясь в соответствии с законом Мура, классические системы уже вплотную подошли к тому рубежу, где не учитывать квантовые явления становится невозможным, а дальнейший значительный рост возможен только за счет качественного перехода на квантовый уровень. Каким будет — этот практически полезный квантовый компьютер в настоящий момент сказать трудно. Сейчас существует несколько конкурирующих подходов, а возможно появятся и другие. Важно не поддаваться хайпу вокруг квантовых систем и четко осознавать, что технология находится на самом начальном этапе развития, и ждать быстрых революционных результатов пока преждевременно. Если говорить о кривой роста производительности квантовых систем, аналоге закона Мура, в реальности она еще не началась.
Важным здесь является выход на упомянутый ранее склон просвещения и совместное движение навстречу представителей бизнес и академического сообществ. Одних в понимании физических проблем, скрывающихся за обещаниями революционного прорыва, других в сосредоточении усилий на вопросах применения технологии квантовых вычислений для решения наиболее интересных для бизнеса задач. Реализуемые в настоящее время программы с привлечением государственных корпораций должны эффективно способствовать этому сближению.
В качестве рекомендаций для органов государственной власти хочу отметить, что государство должно выступать в качестве регулятора, создавая условия для планомерного развития данного направления. В отличие от бизнеса оно не должно быть сфокусировано только на коммерческом результате, и если крупный бизнес, вкладывая деньги в квантовые вычисления, рассматривает данную область возможного прорыва, прежде всего с точки зрения захвата рынка. То государство, поддерживая данную отрасль должно ставить другие цели, такие как технологический суверенитет, развитие кадрового потенциала и высоких наукоемких междисциплинарных технологий.
Список источников:
1. Google officially lays claim to quantum supremacy // https://www.sciencenews.org/article/google-quantum-computer-supremacy-claim, 23.10.2020.
2. The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy // https://www.sciencenews.org/article/new-light-based-quantum-computer-jiuzhang-supremacy , 03.12.2020.
3. Shor P.W. Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring (англ.) // Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Santa Fe, NM, USA, 1994, pp. 124-134. doi: 10.1109/SFCS.1994.365700.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
